風(fēng)化泥質(zhì)砂巖地層隧道結(jié)構(gòu)安全性研究

孫立成,何婭蘭,徐海巖

(1. 四川蜀道鐵路投資集團(tuán)有限責(zé)任公司 成都市 610031; 2. 四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院 都江堰市 611830;3. 四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 村鎮(zhèn)建設(shè)防災(zāi)減災(zāi)四川省高等學(xué)校工程研究中心 都江堰市 611830)

0 引言

隨著中國基建的高速發(fā)展和國家戰(zhàn)略需求,愈來愈多的隧道工程穿越極為復(fù)雜的不良地質(zhì)地層,嚴(yán)重影響隧道施工進(jìn)度和施工安全,給設(shè)備和生命財(cái)產(chǎn)安全帶來極大的威脅。其中,風(fēng)化泥質(zhì)砂巖地層具有親水礦物含量較高、遇水或長時(shí)間暴露易軟化、崩解的特征,極易引起隧道結(jié)構(gòu)的坍塌和變形。

目前,國內(nèi)外學(xué)者對于泥質(zhì)砂巖地層物理力學(xué)特性及隧道施工特性已有一定的研究。陳子全等[1]對泥質(zhì)砂巖的物理力學(xué)特性及相關(guān)能量損傷機(jī)制進(jìn)行分析,研究結(jié)果對于了解泥質(zhì)砂巖地層的圍巖特性具有重要的參考價(jià)值。岳喜軍[2]對泥質(zhì)砂巖的應(yīng)力應(yīng)變和強(qiáng)度特性進(jìn)行研究,研究結(jié)果表明泥質(zhì)砂巖遇水軟化現(xiàn)象明顯并提出相關(guān)參數(shù)的計(jì)算表達(dá)式。劉海壯等[3]基于室內(nèi)試驗(yàn)得到泥質(zhì)砂巖地層的試樣破壞形式,為該地層下隧道開挖和支護(hù)相關(guān)參數(shù)選取提供了一定的依據(jù)。池秋慧[4]對強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖強(qiáng)度及蠕變特性進(jìn)行研究,結(jié)果表明含水量對地層黏聚力影響較大,蠕變效應(yīng)對泥質(zhì)砂巖地層的強(qiáng)度有著很大的影響。此外,王峰[5]從盾構(gòu)的選型、姿態(tài)的調(diào)整等方面對盾構(gòu)隧道穿越泥質(zhì)砂巖地層時(shí)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

綜上所述,文章基于室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場測試,得到不同風(fēng)化程度下的圍巖力學(xué)參數(shù),對不同風(fēng)化程度下的泥質(zhì)砂巖地層特性及其對隧道施工的影響進(jìn)行研究,量化不同風(fēng)化程度下結(jié)構(gòu)的受力和變形值,最后提出富水泥質(zhì)砂巖地層圍巖穩(wěn)定控制技術(shù),研究結(jié)果可為泥質(zhì)砂巖及類似地層的隧道施工提供借鑒和參考。

1 工程概況

隆黃鐵路某隧道工程全長2150.2m,最大埋深243m,隧址區(qū)位于低山丘陵區(qū),地勢起伏較大,地表植被極發(fā)育,多為灌木及竹林。隧址區(qū)位于中亞熱帶溫潤氣候區(qū),雨量充沛,年均降雨量1174mm,年最大降雨量1695.5mm。

隧址區(qū)主要為不同風(fēng)化程度的泥質(zhì)砂巖,呈紫灰色,砂質(zhì)結(jié)構(gòu),層狀構(gòu)造,以粘土礦物為主,具有親水礦物含量較高、遇水或長時(shí)間暴露易軟化、崩解的特征,極易引起隧道結(jié)構(gòu)的坍塌和變形?，F(xiàn)場泥質(zhì)砂巖地層如圖1所示。隧道施工過程中多次出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。

圖1 現(xiàn)場施工圖

2 計(jì)算模型及參數(shù)

采用FLAC 3D計(jì)算軟件對不同風(fēng)化程度下的隧道結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行分析。依據(jù)圣維南原理,計(jì)算模型的四周及下邊界取4倍洞徑,隧道埋深按實(shí)際埋深,采用彈塑性模型和 Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則。鋼架和噴射混凝土在計(jì)算模型中采用等效剛度進(jìn)行計(jì)算,初期支護(hù)為23cm厚噴射混凝土,鋼架間距1m,二襯采用40cm厚C35鋼筋混凝土,彈性模量具體計(jì)算如式(1)所示,計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 計(jì)算模型圖

(1)

式中:E為噴射混凝土折算后的彈性模量;E0為原噴射混凝土的彈性模量;Sg為鋼架的鋼筋截面積;Eg為鋼架的彈性模量;Sc為噴射混凝土截面積。

隆黃鐵路某隧道穿越強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化、弱風(fēng)化泥質(zhì)砂巖地層,遇水條件下極易發(fā)生隧道失穩(wěn)問題。通過《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》、室內(nèi)抗剪和固結(jié)試驗(yàn)(圖3)得到不同風(fēng)化程度下的圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖3 強(qiáng)度參數(shù)測定

表1 泥質(zhì)砂巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)表

3 泥質(zhì)砂巖地層隧道結(jié)構(gòu)安全性

基于泥質(zhì)砂巖遇水或長時(shí)間暴露易軟化、崩解的特征,極易引起隧道結(jié)構(gòu)的坍塌和變形,基于室內(nèi)試驗(yàn)得到的圍巖物理力學(xué)參數(shù),對不同風(fēng)化程度下的圍巖變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行分析。部分?jǐn)?shù)值計(jì)算云圖如圖4所示,數(shù)值計(jì)算結(jié)果如表2所示。計(jì)算結(jié)果表明,當(dāng)?shù)貙臃謩e為弱風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖以及強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖時(shí),圍巖的拱頂沉降分別為23.1mm、36.8mm以及49.9mm,仰拱隆起分別為23.5mm、39.7mm、45.3mm,水平收斂分別為38.0mm、42.3mm、58.1mm。初期支護(hù)最大壓應(yīng)力分別為8.14MPa、10.83MPa、14.26MPa,為支護(hù)結(jié)構(gòu)極限承載力的33.6%、44.8%、58.9%,表明不同風(fēng)化程度下的隧道圍巖變形和結(jié)構(gòu)受力差異較大。

圖4 數(shù)值計(jì)算云圖

表2 不同風(fēng)化程度下泥質(zhì)砂巖地層隧道變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力表

4 富水泥質(zhì)砂巖地層失穩(wěn)控制

由于隧址區(qū)富水程度較大,施工過程中易產(chǎn)生圍巖失穩(wěn),進(jìn)一步出現(xiàn)鋼架變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)開裂問題,采用以下工程措施對富水泥質(zhì)砂巖地層圍巖失穩(wěn)進(jìn)行控制。

(1)進(jìn)行超前深孔和輕型井點(diǎn)真空降水。超前深孔降水每循環(huán)進(jìn)尺3m,掌子面噴射10cm混凝土進(jìn)行加固。輕型井點(diǎn)降水雙排縱向布置,距離初期支護(hù)間距1.5m,每排縱向間距0.5m。每隔30m設(shè)置集水井,將掌子面及附近水源排出隧道。采用瞬變電磁法對隧道周邊圍巖富水情況進(jìn)行探測,如圖5所示。

圖5 瞬變電磁法預(yù)報(bào)

(2)對隧道失穩(wěn)段進(jìn)行回填加固并進(jìn)行徑向注漿,一方面加固圍巖,另一方面起到堵水的作用。初支開裂和拱架變形段進(jìn)行拆換后及時(shí)施作二襯。

(3)恢復(fù)掌子面掘進(jìn)后,采用機(jī)械開挖的方式進(jìn)行掌子面掘進(jìn),控制臺階進(jìn)尺為15m并及時(shí)施作二襯,及時(shí)施作錨桿和鎖腳錨桿。施作超前泄水孔,外插角7°～10°,同時(shí)加強(qiáng)仰拱積水抽排,避免圍巖長期浸泡軟化。遵循快挖快支原則,盡早閉合成環(huán),當(dāng)收斂沉降值過大時(shí)及時(shí)采取臨時(shí)支撐、注漿加固等增強(qiáng)措施。

對現(xiàn)場圍巖壓力和鋼架應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測以判斷采取工程措施的有效性和結(jié)構(gòu)安全性,現(xiàn)場監(jiān)測如圖6所示。監(jiān)測結(jié)果表明隧道圍巖壓力和鋼架應(yīng)力在47d時(shí)能夠保持不變,處于穩(wěn)定狀態(tài)。即現(xiàn)場采取的控制措施能有效保證富水泥質(zhì)砂巖段的施工穩(wěn)定。其中隧道左側(cè)邊墻內(nèi)側(cè)的應(yīng)力最大,右側(cè)拱肩外側(cè)第二大,仰拱外側(cè)最小。圍巖壓力在隧道仰拱處最大,右側(cè)拱肩最小,結(jié)構(gòu)受力均在規(guī)定范圍內(nèi),處于安全狀態(tài)。

圖6 現(xiàn)場監(jiān)測圖

5 結(jié)語

首先通過室內(nèi)試驗(yàn)和地勘資料得到弱風(fēng)化、中風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖的物理力學(xué)參數(shù),進(jìn)一步基于數(shù)值模擬對不同風(fēng)化程度下的結(jié)構(gòu)受力和變形差異進(jìn)行量化,最后提出富水泥質(zhì)砂巖的圍巖穩(wěn)定控制技術(shù)并通過現(xiàn)場監(jiān)測驗(yàn)證支護(hù)措施的有效性。研究結(jié)果表明,不同風(fēng)化程度下的結(jié)構(gòu)受力和變形均滿足控制要求,采取控制措施后,支護(hù)結(jié)構(gòu)在第47d基本能保持穩(wěn)定和安全狀態(tài)。